РОЗДІЛ 2
ХАРАКТЕРИСТИКА ОБ'ЄКТА ДОСЛІДЖЕННЯ ТА МЕТОДИКИ ПРОВЕДЕННЯ ЕКСПЕРИМЕНТІВ
2.1. Обґрунтування вибору об'єкта дослідження
1. Вибір об'єкта дослідження (кускової полідисперсної глини та сформованої у вигляді частинок циліндричної форми) здійснено з метою продовження досліджень механізму сушіння дисперсних матеріалів в умовах фільтрації теплоносія крізь нерухомий шар, виходячи із складністю зневоднення глини існуючими методами на відомому сушильному обладнанні у промислових умовах. А також для вивчення закономірностей перебігу гідродинаміки та кінетики сушіння колоїдних капілярно-пористих матеріалів в умовах фільтрації теплоносія крізь його шар.
2. Виявлення можливості інтенсифікації тепломасообміну сушіння у нерухомому шарі дисперсних матеріалів, що відрізняються за своєю дисперсністю.
3. Виявлення можливості зменшення енергетичних затрат процесу сушіння колоїдних капілярно-пористих матеріалів шляхом формування частинок однакового розміру.
4. В літературі практично відсутні надійні методи розрахунку процесу сушіння дисперсного матеріалу у нерухомому шарі, якому властиве явище "сідання", що підтверджує актуальність досліджуваного завдання.
2.2. Характеристика досліджуваного матеріалу
Глини є одним з найпоширеніших типів гірських порід, що складають до 11 % від всього об'єму земної кори. Вони використовуються як сировина у виробництві кераміки, цегли, цементу, а також як наповнювачі під час виготовлення гуми, паперу, бурових розчинів тощо. Глини мають високу адсорбційну здатність, що зумовлює їх успішне застосовування для очищення масел, фарб, вина, вибілювання тканин, а також як природних екологічних бар'єрів для боротьби з розповсюдженням техногенних забруднень [44].
Глина є колоїдним пластичним матеріалом вторинного походження, що утворився в результаті розпаду і розкладання деяких видів первинних порід [58]. Це природні полімінеральні суміші, головною властивістю яких є пластичність, тобто здатність утворювати з водою пластичне тісто. За мінералогічним складом розрізняють глини каолінітові (переважає глинистий мінерал каолініт), монтморилонітові (монтморилоніт), гідрослюдисті (гідрослюда) або глини мішаного складу: каолініто-гідрослюдисті, гідрослюдисто-монтморилонітові тощо. Каолінітові глини використовують у виробництві фарфору, вогнетривких і кислототривких виробів, які характеризуються незначним водопоглинанням. Монтморилонітові і гідрослюдисті глини використовують у виробництві стінової кераміки, черепиці, кахлю, інших виробів, для яких допускається велике водопоглинання.
Найважливішими технологічними властивостями глинистих порід, що визначають їхнє використання у промисловості, є: пластичність, вогнетривкість, спікливість, спучування, а також набухання, чутливість до сушіння, повітряне "сідання", вогневе "сідання", сорбційна та в'яжуча здатність, укривання, покривна властивість, властивість утворювати стійкі суспензії з надлишком води, відносна хімічна інертність [62].
В якості об'єкта дослідження використано глину Ковирівського родовища (Львівської області), яка має такі характеристики:
- число пластичності - 6 ? 8 %;
- початкова вологість - 20 ? 19 %.
В ній переважає глинистий мінерал монтморилоніт. За хімічним складом досліджуваний матеріал містить 50 ? 70 % SіO2 і 12 ? 20 % Al2O3. Оксиди лужних (K2O, Na2O) і лужно- земельних (CaO, MgO) металів в глині містяться від декількох десятих відсотка до декількох відсотків. Також глина містить від 0,1 до 10 % оксидів заліза, які є слабкими топниками і, залежно від їх кількості, надають випаленому черепку від жовтуватого чи світло-коричневого до коричнево-червоного кольору.
Глиниста порода містить багато мінералів. Саме глинистий мінерал (монтморилоніт) є тонкодисперсною частинкою меншою за 0,02 мм, що забезпечує пластичність породи (більшу ніж в коалінових глин). Всі інші мінерали, присутні в глинистій породі є опріснювачами і понижують її пластичність.
Найбільш поширеною домішкою в глинистих породах є кварцовий пісок (SіO2). Він опріснює глину (зменшує число пластичності), що, з одного боку, погіршує її формувальні властивості, а з іншого - зменшує чутливість до сушіння. Крім цього, великий вміст піску під час формування призводить до швидкого спрацьовування обладнання.
В глинах інколи присутні домішки карбонатів (CaCO3, MgCO3). Залізисті домішки можуть знаходитись у вигляді оксидів (Fe2O3, Fe3O4, FeO), гідрооксидів чи сульфідів. Оксиди рівномірно розподілені у глинистій масі і на формувальні властивості значного впливу не мають.
З інших домішок в глинах присутні органічні залишки рослин, природні гіпси тощо.
Вода в глині знаходиться в двох станах: у механічній суміші з глиною (від чого залежить пластичність глини) і в хімічному зв'язку. Під час сушіння глини випаровується незв'язана з основною речовиною волога і та, що міститься в порах. Зневоднюючись глина тимчасово втрачає м'якість і пластичність, стаючи твердою і крихкою. Проте, якщо її намочити, глина вбере воду і знов набуде пластичності. Під час сильного випалу глина втрачає хімічно зв'язану вологу, стає дуже твердою, цілком втрачає здатність піддаватися дії води і в намоченому стані не повертає пружних пластичних властивостей.
Консистенсію "глина-вода" називають в'яжучою системою висихання, оскільки в процесі сушіння вона зміцнюється. В пластичному стані вона є колоїдним капілярно-пористим тілом, в якому тверда фаза дискретно розміщена у безперервному дисперсійному середовищі - воді. Під час сушіння, внаслідок видалення вологи, в системі відбуваються структурні зміни: волога із матричного розподілу переходить у дискретний, а тверда фаза, навпаки, із дискретного розподілу - у матричний з утворенням макро- і мікрокапілярів (r ? 10-5см). Під час сушіння матеріал перетворюється із пластичного у пружньокрихке тіло з осередковим розподілом вологи та із безперервною твердою фазою [82].
Важливим під час взаємодії частинок глинистих мінералів з водою є форму